第一章   緒論

1.1 地震災(zāi)害
地震自古便是一種難以預(yù)測(cè)的自然災(zāi)害，也是大部分工程結(jié)構(gòu)的主要控制荷載，地震的強(qiáng)烈程度嚴(yán)重影響建筑物的安全[1]。我國(guó)自古就是一個(gè)多地震的國(guó)家之一，我國(guó)汶川在內(nèi)的 20 多個(gè)城市曾被地震造成毀滅性的災(zāi)害，傷亡與財(cái)產(chǎn)損失不計(jì)其數(shù)，我國(guó)地處太平洋地震帶，西北與西南位于歐亞地震帶，建筑物在地震產(chǎn)生的橫波與縱波作用下會(huì)產(chǎn)生橫向與縱向的抖動(dòng)，使結(jié)構(gòu)承重構(gòu)件破壞，，建筑物整體發(fā)生傾倒[2]。地震災(zāi)害對(duì)人類的傷害和建筑物的破壞是十分嚴(yán)重的，面對(duì)地震對(duì)人類生活的威脅，建筑工程抗震設(shè)計(jì)是必須存在的，20 世紀(jì)以來，科學(xué)的迅猛發(fā)展帶動(dòng)建筑行業(yè)的發(fā)展，自從新中國(guó)成立以后，我國(guó)人民生活和平而富足，為我國(guó)工程方面科學(xué)創(chuàng)造良好的發(fā)展空間，同時(shí)我國(guó)頒布了多版的建筑相關(guān)規(guī)范，體現(xiàn)出我國(guó)抗震理論在進(jìn)步[1]。汶川地震以慘痛的教訓(xùn)警醒人類關(guān)于減少地震災(zāi)害是人類目前迫切需要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)之一，然而，國(guó)內(nèi)的抗震設(shè)計(jì)在建筑完成的過程中，仍存在令人不滿意的地方，這些不足之處不僅需要設(shè)計(jì)者高度重視，還需要施工隊(duì)伍提高抗震意識(shí)，按圖施工從而提升國(guó)內(nèi)建筑的抗震水平[3]。
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1.2 高層建筑結(jié)構(gòu)體系形式及要求
高層建筑結(jié)構(gòu)體系是指按構(gòu)件的傳力性能與組成方式不同進(jìn)行的分類，高程結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)與多層結(jié)構(gòu)相差不多[4]。豎向荷載方面，結(jié)構(gòu)的豎向荷載由恒、活兩部分構(gòu)成，高層與多層結(jié)構(gòu)豎向荷載基本一致，只是疊加到最后的層數(shù)不同。但對(duì)于水平荷載而言，則有較大的差別，眾所周知，水平荷載——風(fēng)荷載對(duì)高層結(jié)構(gòu)的位移作用非常大，故在高層設(shè)計(jì)中應(yīng)該充分考慮風(fēng)荷載對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不良影響，所以隨高度的增加高層建筑的頂層位移會(huì)增大很多.  結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是為建筑設(shè)計(jì)服務(wù)并提出結(jié)構(gòu)專業(yè)對(duì)建筑的要求，經(jīng)過反復(fù)的核對(duì)，最終達(dá)成建筑物在結(jié)構(gòu)安全能夠滿足要求，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中結(jié)構(gòu)選型時(shí)比較重要的部分之一，這是決定結(jié)構(gòu)高度與造價(jià)的關(guān)鍵，結(jié)構(gòu)形式伴隨著混凝土的誕生也由最初的磚混結(jié)構(gòu)變成框架結(jié)構(gòu)，進(jìn)而衍生出高端的“框架”結(jié)構(gòu)，剪力墻、框架——核心筒等。對(duì)高層建筑而言，框架結(jié)構(gòu)柱提供的抵抗風(fēng)荷載的剛度明顯不能滿足高層結(jié)構(gòu)的要求，所以高層建筑用框架結(jié)構(gòu)的較少，剪力墻與框架核心筒較為常見。以下主要介紹各種結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)與缺點(diǎn)：框架結(jié)構(gòu)體系是由柱子和梁共同承受豎向作用和水平作用，梁與柱通過節(jié)點(diǎn)連接在一起形成受力框架，框架結(jié)構(gòu)理想的施工時(shí)現(xiàn)澆混凝土，因?yàn)楝F(xiàn)澆混凝土的節(jié)點(diǎn)核心區(qū)具有剛性，框架結(jié)構(gòu)能夠滿足布置靈活的特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)跨度較大的辦公室、實(shí)驗(yàn)室、會(huì)議室等，但框架結(jié)構(gòu)的抗震性能一般，框架柱與梁的截面不大，抗側(cè)剛度不大，在地震來襲時(shí)難免會(huì)由于水平荷載作用較大而產(chǎn)生側(cè)向位移較大的情況，另框架結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)核心區(qū)受力十分復(fù)雜，是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中尤為關(guān)鍵的部位之一[5]�？蚣芙Y(jié)構(gòu)一般采用對(duì)稱布置，防止因不對(duì)稱而對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生偏心與扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。  
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第二章   工程概況

伴隨科技的進(jìn)步，理論的完善，計(jì)算機(jī)硬件的更新與施工方法、技術(shù)的變革，為建筑高度的突破創(chuàng)造有利條件，并且隨著大城市寸土寸金的現(xiàn)狀，開發(fā)商也爭(zhēng)相開發(fā)高層建筑，高層建筑如雨后春筍般拔地而起，高層建筑是體現(xiàn)人類利用自然的智慧。高層建筑成為城市生活空間中不可缺少的元素，在不影響建筑使用功能和立面效果的基礎(chǔ)上，經(jīng)濟(jì)安全的進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，是設(shè)計(jì)師面對(duì)的棘手問題，對(duì)設(shè)計(jì)師來說是存在的挑戰(zhàn)，樓層的變高，設(shè)計(jì)中存在的問題也會(huì)隨之增加，下文將以實(shí)際工程的設(shè)計(jì)詮釋遇到的問題和解決的方式與方法。  

2.1 工程位置
本項(xiàng)目位于青島市嶗山區(qū)金家?guī)X金融商務(wù)區(qū)的核心，項(xiàng)目毗鄰會(huì)展中心，大劇院，博物館，體育中心等城市級(jí)配套，金融及教育機(jī)構(gòu)眾多。本項(xiàng)目東面緊鄰秦嶺路，西面為赤嶺路，北面為苗嶺路，南面為梅嶺東路[17]。本項(xiàng)目總建設(shè)用地面積 2.48 萬(wàn)㎡，總建筑面積 30.73 萬(wàn)㎡，總計(jì)容面積為 24萬(wàn)㎡，在用地范圍內(nèi)，商業(yè)裙房上落有三棟辦公塔樓，地下設(shè)有三層地下車庫(kù)。地上總建筑面積24萬(wàn)㎡，其中辦公建筑面積15萬(wàn)㎡，商業(yè)建筑面積26萬(wàn)㎡，LOFT、創(chuàng)意辦公面積 6 萬(wàn)㎡，地下總建筑面積 6.7 萬(wàn)㎡。本項(xiàng)目包括 3 棟超高層塔樓（1#辦公樓，2#辦公樓，3#公寓樓，建筑總高171.700m），獨(dú)立兩棟 3 層商業(yè)裙房和三層地下室。項(xiàng)目通過結(jié)構(gòu)分縫及滑動(dòng)支座連橋?qū)⒄麄�(gè)地上結(jié)構(gòu)分為四部分，第一部分為 1#、2#樓雙塔及相連裙房，第二部分為 3#公寓樓及相連裙房，第三、四部分為 2 棟三層獨(dú)立商業(yè)網(wǎng)點(diǎn)。本工程 1#塔樓、2#塔樓、3#塔樓與裙房相連，各部分平面尺寸（長(zhǎng) x 寬）如下：裙房為215mx75m；1#樓 40.9mx49.9m；2#樓 38mx47.1m；3#樓 64.8mx29.9m。1#辦公樓為框架核心筒結(jié)構(gòu)，地下 3 層，裙房 3 層，裙房上部辦公 37 層，主要屋面高度 162.9m，局部機(jī)房層屋面高度為 170.7m，超過 7 度抗震設(shè)防烈度框筒結(jié)構(gòu) A 級(jí)最大適用高度 130m。
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2.2 建筑功能及各層平面
建筑功能是為滿足人類正�；顒�(dòng)、休息等主要生活對(duì)建筑的基本要求，建筑根據(jù)用途的不同，樓層設(shè)計(jì)不同，通常也對(duì)建筑功能進(jìn)行類別劃分，主要功能分區(qū)和各層層高情況如表 2-2-1 所示： 風(fēng)荷載是高層建筑設(shè)計(jì)中必須要重點(diǎn)考慮的一種荷載，一般呈倒三角式分布，其作用最高層結(jié)構(gòu)的抗側(cè)移等內(nèi)容有著尤為顯著的影響，對(duì)于風(fēng)荷載影響其作用的因素較多，例如風(fēng)振系數(shù)、建筑高度等都是其重要因素，青島地區(qū)地處海邊，嶗山區(qū)的粗糙等級(jí)為 B 級(jí)，查規(guī)范得基本風(fēng)壓為 0.6Kpa，此風(fēng)壓需擴(kuò)大 1.1 系數(shù)才能夠用于結(jié)構(gòu)的承載力控制，另外考慮舒適度問題時(shí)則采用 0.45Kpa 的風(fēng)壓。    建設(shè)方委托中國(guó)建筑科學(xué)研究院建研科技股份有限公司對(duì) 2 號(hào)地塊 1#、2#、3#塔樓進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)。試驗(yàn)根據(jù)建筑圖紙以 1:250 的模型準(zhǔn)確的模擬了建筑外形，以反映建筑外形對(duì)建筑外表面風(fēng)壓分布的影響。
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第三章   結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ........ 21 
3.1 結(jié)構(gòu)體系 ........... 22
3.2  樓蓋體系 .......... 27 
3.2.1  裙房及車庫(kù) ......... 27 
3.2.2  塔樓 ..... 28 
3.3  主要構(gòu)件的截面 ...... 28 
3.4  結(jié)構(gòu)材料 .......... 31
3.5 結(jié)構(gòu)超限類型和程度 ....... 32 
3.6 抗震等級(jí)及性能目標(biāo) ........ 34
3.7  本章小結(jié) ........... 36 
第四章  結(jié)構(gòu)分析的主要結(jié)果匯總比較 ....... 37 
4.1 計(jì)算分析程序 .... 37 
4.2 小震計(jì)算 .... 37
4.3 傾覆彎矩、樓層剪力分析和剪力調(diào)整 .... 49 
4.4  彈性時(shí)程分析 ........... 50 
4.5  中震計(jì)算 ........... 55
4.6  大震計(jì)算 ........... 60 
第五章   動(dòng)力彈塑性分析 ..... 69
5.1  分析軟件及方法 ....... 69
5.2 鋼筋一維本構(gòu)關(guān)系 .... 71 
5.3 混凝土二維本構(gòu)關(guān)系 ........ 72

第五章     動(dòng)力彈塑性分析

結(jié)構(gòu)在較大的地震作用下某些部位可能發(fā)生屈服甚至破壞退出工作，從而使結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)從彈性過渡到彈塑性，隨著塑性的發(fā)生和發(fā)展，結(jié)構(gòu)的反應(yīng)特征出現(xiàn)改變，不再保持彈性狀態(tài)，此時(shí)應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)進(jìn)入非線性狀態(tài)的地震反應(yīng)分析。通過非線性彈塑性分析，研究結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的變形形態(tài)、構(gòu)件的塑性及其損傷情況、整體結(jié)構(gòu)的彈塑性行為（具體的研究指標(biāo)包括最大頂點(diǎn)位移，最大層間位移，最大扭轉(zhuǎn)位移比以及最大基底剪力）以及結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位、關(guān)鍵構(gòu)件的變形形態(tài)和破壞情況是否滿足規(guī)范要求，是否符合預(yù)定的抗震性能目標(biāo)，能否達(dá)到結(jié)構(gòu)“大震不倒”的設(shè)防水準(zhǔn)要求[34]。 

5.1  分析軟件及方法    

本工程塔樓非線性彈塑性分析采用 PKPM-SAUSAGE 軟件，本軟件適于模擬混凝土、鋼材質(zhì)構(gòu)件的空間非線性力學(xué)行為，PKPM-SAUSAGE 的線單元（梁、柱和斜撐）在全長(zhǎng)度采用精細(xì)的截面纖維模型，面單元（剪力墻、樓板）采用精細(xì)的分層殼模型。該軟件在材料應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系層面的材料非線性基礎(chǔ)上,時(shí)程分析時(shí)考慮了結(jié)構(gòu)的幾何非線性。軟件計(jì)算中采用的本構(gòu)模型如下[35]：  

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結(jié)論 

該論文針對(duì)實(shí)際工程在小震、中震、罕遇地震作用下的具體情況，根據(jù)《抗規(guī)》設(shè)立了抗震性能目標(biāo)以及性能設(shè)計(jì)目標(biāo)，然后采用 Midasbuilding 軟件在考慮幾何非線性和材料非線性的前提下建立有限元模型，選用多組地震波進(jìn)行了動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析。在進(jìn)行動(dòng)力彈性時(shí)程分析之前，為了證明 Midasbuilding 建立模型的準(zhǔn)確性，將Midasbuilding、SATWE兩種種軟件計(jì)算得到的重力荷載代表值和前三階周期的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，用 SAUSAGE 軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力彈塑性分析得到如下結(jié)論： 
1）1#、2#、3#結(jié)構(gòu)的周期比、有效質(zhì)量系數(shù)、底部剪力、底部剪力墻軸壓比、抗側(cè)剛度等均滿足規(guī)范要求，能夠保證結(jié)構(gòu)安全正常使用。 
2）對(duì)大底盤樓蓋進(jìn)行有限元分析，分析得到經(jīng)濟(jì)的配筋方案，并且滿足樓蓋體系中震彈性的目標(biāo)。 
3）對(duì)基底的應(yīng)力與傾覆驗(yàn)算得到在風(fēng)荷載或中震作用下，塔樓基底均沒有出現(xiàn)零應(yīng)力區(qū)，大震作用下的零應(yīng)力區(qū)未超過 15%，結(jié)構(gòu)均不會(huì)發(fā)生整體傾覆。 
4）對(duì)主體結(jié)構(gòu)舒適度分析顯示結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)的最大加速度小于規(guī)范要求限值滿足要求。
5)對(duì)單結(jié)構(gòu)進(jìn)行 PKPM 和 Midasbuilding 軟件計(jì)算，并對(duì)單塔進(jìn)行 Midasbuilding 做進(jìn)一步分析，比較了單塔、雙塔的計(jì)算結(jié)果，說明單塔、雙塔的受力性能是相似的，大底盤不但沒有改變各塔樓的自振性能，而且對(duì)各塔樓起到了剛度加強(qiáng)作用。 
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參考文獻(xiàn)(略)

本文編號(hào)：61531